(57)【要約】【課題】  低接触抵抗および高反射率を同時に実現できる高反射膜電極およびそれを具備する半導体発光素子を提供する。【解決手段】  半導体発光素子１００は、透明基板１０２と、透明基板１０２上に形成された電子注入層１０４と、電子注入層１０４の第１領域上に形成された活性層１０６と、活性層１０６上に形成された正孔注入層１０８と、正孔注入層１０８上に形成されて高い反射率および低い接触抵抗を同時に提供できる第１電極構造体１１０と、記電子注入層１０４の第２領域上に形成された第２電極構造体１１２と、第１および前記第２電極構造体１１０，１１２と電気的に結合された回路基板１１４とを具備する。これにより、正孔注入層１０８上に接触するコンタクトメタルの面積を調節することが可能となり、コンタクトメタル層による光の吸収を減少させつつも半導体発光素子１００の光効率を向上させうる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、
前記透明基板上に形成された電子注入層と、
前記電子注入層の第１領域上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成された正孔注入層と、
前記正孔注入層上に形成されて高い反射率および低い接触抵抗を同時に提供できる第１電極構造体と、
前記電子注入層の第２領域上に形成された第２電極構造体と、
前記第１および前記第２電極構造体と電気的に結合された回路基板と、を含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１電極構造体は、
接触抵抗の低いニッケル、パラジウム、白金およびＩＴＯよりなる群から選択されたいずれか一つの物質を含むコンタクトメタル構造体と、
アルミニウム薄膜または銀を含む反射層と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記コンタクトメタル構造体は島型に形成されることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記コンタクトメタル構造体はメッシュ型に形成されたことを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記反射層に対する前記コンタクトメタル層の面積比が１％ないし９０％であることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記コンタクトメタル構造体の厚さが２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
前記反射層が反射率の高いアルミニウムまたは銀よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記透明基板がサファイアよりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記正孔注入層がＰ型ＧａＮよりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
活性層および前記活性層の一面に形成された正孔注入層を具備する半導体発光素子に使われる電極構造体において、
前記活性層と対向するように前記正孔注入層の一面に形成され、接触抵抗の低いニッケル、パラジウム、白金およびＩＴＯよりなる群から選択されたいずれか一つの物質を含むコンタクトメタル構造体と、
前記コンタクトメタル構造体上に形成される反射層と、を含むことを特徴とする電極構造体。
【請求項１１】
前記コンタクトメタル構造体が島型に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【請求項１２】
前記コンタクトメタル構造体がメッシュ型に形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【請求項１３】
前記反射層に対する前記コンタクトメタル構造体の面積比が１％ないし９０％であることを特徴とする請求項１１または１２に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【請求項１４】
前記コンタクトメタル構造体の厚さが約２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１３に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【請求項１５】
前記反射層が反射度の高いアルミニウムまたは銀よりなることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【請求項１６】
前記正孔注入層がＰ型ＧａＮよりなることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【請求項１７】
前記電子注入層の厚い領域および薄い領域で形成され、前記電極構造体はＰ型電極構造体であって厚い領域上に形成されることを特徴とする請求項１０に記載の半導体発光素子に使われる電極構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は窒化物半導体またはそのような物質を利用して製作される半導体発光素子の製造方法に係り、より詳細には、低接触抵抗および高反射率を同時に実現しうる高反射膜電極およびそれを具備するフリップチップ型発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光発光素子用として一般的に多く利用されている窒化物系化合物半導体は青色、緑色の可視光領域を経て現在白色発光素子のための紫外線領域に発展しつつある。このような窒化物化合物半導体は、活性層で発生した光のうち活性層の上部に向う光を抽出する構造と、サファイア基板のような透明性基板を通過して活性層の下部に向う光を抽出する構造とに大別できる。
【０００３】
このうち、透明性基板を通じて光を抽出する構造を持つフリップチップ型発光素子において、上部に向った光を下部方向に再び反射させるためのＰ型電極界面における反射率が非常に重要とされる。
【０００４】
一方、発光素子は低い駆動電圧を持つことが有利である。現在、発光素子の駆動電圧を低めるために使われる最も一般的な方法は電極層と活性層との間に形成された物質層の抵抗を低める方法である。特に、フリップチップ型発光素子では正孔注入層とＰ型電極とはオーミックコンタクトされるため、駆動電圧を低めるためにこれらの間に低いオーム抵抗が形成されることが非常に望ましい。
【０００５】
従来のフリップチップ型窒化半導体発光素子のうち一つの構造を説明するための概略的な断面図を図１に図示する。
【０００６】
図１に図示したように、従来のフリップチップ型窒化半導体発光素子１０は、サファイア基板１１と、サファイア基板１１上に順次積層されて形成されたＮ型ＧａＮ層１２と、ＩｎＧａＮよりなる活性層１６と、Ｐ型ＧａＮ層１８と、ニッケル層２０と、Ｐ型電極２２およびＮ型ＧａＮ層１２の一側面に形成されたＮ型電極１４とを含む。Ｎ型ＧａＮ層１２は第１導電型に対するクラッド層として作用し、Ｐ型ＧａＮ層１８は第２導電型に対するクラッド層として作用する二重ヘテロ構造を持つ。
【０００７】
また、ニッケル層２０はほぼ１０ｎｍの厚さにＰ型電極１４上に形成され、オーミックコンタクトを形成するためのコンタクトメタル層として作用する。そして、Ｐ型電極２２はアルミニウムまたは銀薄膜であるため、コンタクトメタルであるニッケル層２０を透過する光がＰ型電極２２とニッケル層２０との界面で反射される。
【０００８】
反射度の高いアルミニウムまたは銀のような物質よりなるＰ型電極２２から直接光を抽出することもあり、このような場合には高い光抽出効率が得られる。しかし、高反射膜電極を直接使用すれば接触抵抗が高まるという短所がある。したがって、このような接触抵抗を減らすためにオーミックコンタクトを形成するためのコンタクトメタルとしてニッケル層２０を形成したものがある。
【０００９】
しかし、コンタクトメタルとしてニッケル層２０を具備するフリップチップ型窒化半導体発光素子１０では、ＩｎＧａＮよりなる活性層１６で発生した光が、ニッケル層２０を通過した後、ニッケル層２０とＰ型電極２２との界面で反射された後、再びニッケル層２０およびサファイア基板１１を通過して放出されるため、ニッケル層２０で光の吸収が多く起こり、これによって反射率を高められない問題がある。
【００１０】
すなわち、コンタクトメタルであるニッケル層２０は、Ｐ型ＧａＮ層１８と確実なコンタクトを確保するために用いられ、ニッケル層２０が厚いほど良好なコンタクトを得られるが、もし、ニッケル層２０が５０ｎｍ以上の厚さを持つようになれば十分な反射率が得難くなる。
【００１１】
したがって、半導体発光素子の高い反射率を維持しつつも低い接触抵抗を維持できる反射構造を有する半導体発光素子の開発が必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
したがって、本発明の目的は、低接触抵抗および高い反射率を同時に実現できるＰ型電極構造を具備する半導体発光素子を提供することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、低接触抵抗および高い反射率を同時に実現できる半導体発光素子に用いられる電極構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一類型によれば、透明基板と、透明基板上に形成された電子注入層と、電子注入層の第１領域上に形成された活性層と、活性層上に形成された正孔注入層と、正孔注入層上に形成されて高い反射率および低い接触抵抗を同時に提供できる第１電極構造体と、電子注入層の第２領域上に形成された第２電極構造体と、第１および第２電極構造体と電気的に結合された回路基板とを含むことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
【００１５】
本発明の他の類型によれば、透明基板と、透明基板上に順次形成された電子注入層と、活性層および正孔注入層を具備する半導体発光素子に使用するために接触抵抗の低いニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）およびＩＴＯよりなる群から選択されたいずれか一つの物質を含むコンタクトメタル構造体と、アルミニウム薄膜または銀のように高い反射率を持つ反射層とを含む半導体発光素子に使用される電極構造が提供される。
【００１６】
ここで、コンタクトメタル構造体は島型またはメッシュ型に形成されたことが望ましい。
【００１７】
また、コンタクトメタル構造体の厚さが約２００ｎｍ以下であり、その面積が前記反射層の面積に対する面積比が１％ないし９０％であることが望ましい。
【００１８】
また、反射層が反射率の高いアルミニウムまたは銀よりなることが望ましい。
【００１９】
また、透明基板がサファイアまたは炭化ケイ素よりなることが望ましい。
【００２０】
また、電子注入層はＮ型ＧａＮよりなり、活性層はＩｎＧａＮよりなり、正孔注入層はＰ型ＧａＮよりなることが望ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、Ｐ型半導体よりなる正孔注入層上に接触するコンタクトメタルの面積を調節することによって、コンタクトメタル層による光の吸収を減少させつつも半導体発光素子の光効率を向上させうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付された図面を参照しつつ本発明による低接触抵抗および高反射率を同時に実現できる高反射膜電極構造と、それを具備するフリップチップ型発光素子およびその製造方法の望ましい実施例を詳細に説明する。以下の図面において同じ参照符号は同じ構成要素を表す。
【００２３】
図２は、本発明の実施例における半導体発光素子を説明するための断面図である。
【００２４】
図２に図示したように、半導体発光素子１００は、サファイアまたは炭化ケイ素のような透明な物質よりなる透明基板１０２と、透明基板１０２上に順次積層されて形成されたＮ型ＧａＮよりなる電子注入層１０４と、ＩｎＧａＮよりなる活性層１０６と、Ｐ型ＧａＮよりなる正孔注入層１０８とを含む。電子注入層１０４は第１部分および第２部分を具備し、第１部分が第２部分より薄く形成されて階段状をなしている。活性層１０６および正孔注入層１０８は第２部分上に形成されている。
【００２５】
また、半導体発光素子１００は、正孔注入層１０８上に形成された反射膜としても作用するＰ型電極構造体１１０（第１電極構造体）をさらに含む。本発明の望ましい実施例によれば、Ｐ型電極構造体１１０は、接触抵抗を減らすためにオーミックコンタクトを実現するコンタクトメタルとして作用するコンタクトメタル構造体、および反射率の高い銀またはアルミニウムのような金属を利用して形成される反射層を含むことが望ましい。
【００２６】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施例における図２に図示した半導体発光素子に用いられるＰ型電極構造体を説明するための断面図である。
【００２７】
まず、図３Ａを参照すれば、本発明の第１実施例におけるＰ型電極構造体１１０は、正孔注入層１０８上に形成され、接触抵抗を減らすためのオーミックコンタクトを実現するコンタクトメタルとして作用するコンタクトメタル構造体１１０Ａおよび反射層１１０Ｂを含む。そして、コンタクトメタル構造体１１０Ａは接触抵抗の低いニッケル、パラジウム、白金またはＩＴＯよりなるグループのうち選択されたいずれか一つよりなることが望ましい。反射層１１０Ｂはアルミニウム薄膜または銀のように高い反射率を有する金属で形成されることが望ましい。
【００２８】
また、本発明の実施例におけるＰ型電極構造体１１０は、コンタクトメタルとして機能するだけでなく、後に結合される回路ボードから印加される電流を正孔注入層１０８に均一に分配するための機能も有する。
【００２９】
一方、活性層１０６において、電子注入層１０４から注入された電子と、正孔注入層１０８から注入された正孔とが結合される。このように結合された電子と正孔とは低いエネルギーバンドに落ちつつ光を発生させる。この時、発生した光はＰ型電極構造体１１０の反射層１１０Ｂとコンタクトメタル構造体１１０Ａとの界面、および反射層１１０Ｂと正孔注入層１０８との界面で反射される。このように反射された光は、図２において矢印で表示される方向に放出されながら、正孔注入層１０８、活性層１０６、電子注入層１０４および透明基板１０２を順次通過する。
【００３０】
本発明の第１実施例において、コンタクトメタル構造体１１０Ａは島型に形成され、その上を反射層１１０Ｂが覆っている。本実施例において、それぞれの島の形態は、長方形を呈しているが、これは本発明の思想を離脱しない限り半球形または正四面体など他の形態に形成できる。
【００３１】
図３Ｂを参照すれば、本発明の第２実施例におけるＰ型電極構造体２１０は、正孔注入層２０８上に形成され、接触抵抗を減らすためにオーミックコンタクトを実現するコンタクトメタルとして作用するコンタクトメタル構造体２１０Ａおよび反射層２１０Ｂを含む。そして、反射層２１０Ｂはアルミニウムまたは銀のように高い反射率を有する金属で形成することが望ましい。
【００３２】
本発明の第２実施例において、コンタクトメタル構造体２１０Ａはメッシュ型に形成され、その上を反射層１１０Ｂが覆っている。本実施例において、メッシュ型に形成されたコンタクトメタル構造体は、角形を呈しているが、これは本発明の思想を離脱しない限り半球または正四面体など他の形態に形成できる。
【００３３】
再び図２を参照して、電子注入層１０４の厚さが薄い第１部分上に、Ｎ型電極１１２(第２電極構造体)が形成される。Ｎ型電極１１２は、チタン／アルミニウム／白金／金のようなメタルが積層された電極構造体に形成され得る。上述したように半導体発光部品が透明基板１０２上に装着された後に、リードフレームのようなワイヤー状を呈する金層１１６および前記金層１１６上に形成されたソルダーボール１１４を有するサブマウント１１８上に前記半導体発光部品が装着された透明基板１０２が整列される。
【００３４】
次に、フリップチップボンディングを利用して、前記サブマウント１１８および前記半導体発光部品を装着された透明基板１０２がアセンブリされることによって半導体発光素子１００が完成する。図面に詳細に図示されていないが、Ｐ型電極構造体１１０およびＮ型電極１１２と、サブマウント１１８との結合のためのボンディングメタルが形成される工程が追加されうる。
【００３５】
ここで、図４Ｂないし図４Ｅは、本発明の実施例における電極構造を説明するための半導体発行素子の平面図であり、図４Ａおよび図４Ｆは、比較例として示す電極構造を説明するための平面図である。各図において、パラジウム層の面積と銀層の面積との面積比が変更された電極構造体が形成されている。
【００３６】
図４Ａないし図４Ｆにおいて、ほぼ３ｎｍの厚さに形成された正孔注入層上に、パラジウムのメッシュ型構造体であるコンタクトメタル層が形成されている状態を示している。これらは、本発明の効果を説明するために図４Ａから図４Ｆに移るに従って、パラジウム層の面積と銀層の面積との面積比を変更して実験した結果を示すものである。
【００３７】
より詳細に説明すれば、図４Ａは、４０２と表示された部分すべてがパラジウム層で形成された場合を示し、当該パラジウム層はほぼ２５Åないし３５Å程度の厚さに形成された標準型に該当する。そして、図４Ｂないし図４Ｅにおけるメッシュ＿１ないしメッシュ＿４領域がそれぞれパラジウム層に該当するものであって、それぞれに対応する（パラジウム層の面積）／（銀層の面積）の値は、１.２５、０．７８、０．５６、および０．４４である。ここで、図面符号４００は銀で形成された反射層を表し、４０２はパラジウムで形成されたコンタクトメタル層を表す。図４Ｆは、パラジウム層なしに銀だけで形成された場合を示している。
【００３８】
図５Ａおよび図５Ｂは、図４Ａないし図４Ｆに図示された半導体発光素子における光出力の相関関係、および図４Ａないし図４Ｆに図示された半導体装置における動作電圧の相関関係を説明するためのグラフをそれぞれ示している。
【００３９】
図５Ａは、図４Ａないし図４Ｆに示されるように、電極構造体が、標準型とされた場合、メッシュ＿１ないしメッシュ＿４とされた場合、銀層のみとされた場合の各発光素子における光出力の相関関係を表す。
【００４０】
図より、コンタクト層としてパラジウム層が全体的に形成された後、その上にアルミニウム反射層が全体的に形成された標準構造体において、輝度が最も低いことが分かる。前述したように、このような現象は、活性層で発生した光がパラジウムコンタクト吸収層とＰ型電極との界面で反射されて透明基板側に放出されることにより、パラジウムコンタクト吸収層で多くの光が吸収されるために発生する。
【００４１】
本発明の実施例として、電極構造体にパラジウムメッシュコンタクトメタル層と銀反射層との組み合わせが用いられた場合、輝度が１０％以上向上することが把握された。また、銀反射層に対するパラジウム層の面積比が減少することによって輝度が漸進的に高まることが把握された。一方、標準型の場合に最も低い輝度を表し、銀反射層だけを形成した場合に最も高い輝度を表すことが把握された。
【００４２】
一方、図５Ｂは、図４Ａないし図４Ｆに示されるように、電極構造体が、標準型とされた場合、メッシュ１ないしメッシュ４とされた場合、および銀層のみとされた場合の各発光素子における動作電圧の相関関係を表す。
【００４３】
図に示すように、電極構造体にパラジウムメッシュコンタクトメタル層が形成されずに銀反射層だけが形成された場合における発光素子の輝度が最も高いが、この場合の動作電圧は図５Ｂに図示されるように４．９９Ｖを超える。したがって、実際素子に適用できる３．８０Ｖ以内のレベルを大きく超過してしまう。これは、銀反射層だけが形成されることによって、接触抵抗が高まるからである。
【００４４】
しかし、本発明の実施例として、電極構造体にパラジウムメッシュコンタクトメタル層と銀反射層との組み合わせが用いられた場合、従来の電極構造体と比較して動作電圧をあまり高めずに高い反射率を確保することが可能となり発光素子光出力を維持できる。また、本発明によれば、パラジウムメッシュコンタクトメタル層の面積を調節することによって、動作電圧およびＰ型電極の反射率を同時に制御することが可能となり発光素子の光効率を最適化させることができる。
【００４５】
本発明は図面に図示された実施例を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な改変および均等な他の実施例が可能であると把握される。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲内で定められねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、青色、緑色の可視光領域の窒化化合物半導体発光素子、または紫外線領域の窒化化合物半導体発光素子において、半導体発光素子の光効率を向上させるために利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】従来の窒化半導体発光素子の構造を説明するための概略的な断面図である。
【図２】本発明の実施例における半導体発光素子を説明するための断面図である。
【図３Ａ】本発明の実施例おける図２に図示した半導体発光素子に用いられる電極構造を説明するための断面図である。
【図３Ｂ】本発明の実施例における他態様の半導体発光素子に用いられる電極構造を説明するための断面図である。
【図４Ａ】比較例として示す電極構造を説明するための平面図である。
【図４Ｂ】本発明の実施例における電極構造を説明するための半導体発行素子の平面図である。
【図４Ｃ】本発明の実施例における他態様の電極構造を説明するための半導体発行素子の平面図である。
【図４Ｄ】本発明の実施例における他態様の電極構造を説明するための半導体発行素子の平面図である。
【図４Ｅ】本発明の実施例における他態様の電極構造を説明するための半導体発行素子の平面図である。
【図４Ｆ】比較例として示す他態様の電極構造を説明するための半導体発行素子の平面図である。
【図５Ａ】図４Ａないし図４Ｆに図示された半導体発光素子における光出力の相関関係を説明するためのグラフである。
【図５Ｂ】図４Ａないし図４Ｆに図示された半導体発光素子における動作電圧の相関関係を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１００    半導体発光素子、
１０２    透明基板、
１０４    電子注入層、
１０６    活性層、
１０８    正孔注入層、
１１０    Ｐ型電極構造体、
１１２    Ｎ型電極、
１１４    ソルダーボール、
１１６    金層、
１１８    サブマウント。
【図１】
2005129907.tif 000003
【図２】
2005129907.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2005129907.tif 000010
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
2005129907.tif 000012
【図４Ｅ】
2005129907.tif 000013
【図４Ｆ】
2005129907.tif 000014